JPH1035587A

JPH1035587A - 水中ロボット

Info

Publication number: JPH1035587A
Application number: JP19778396A
Authority: JP
Inventors: Fumiaki Tominaga; 史彰冨永
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 1998-02-10

Abstract

(57)【要約】【課題】浮遊物が多い環境においても、浮遊物がスクリ
ューに絡んで機能不良になることもなく、かつ、小型軽
量化を可能とする。【解決手段】ロボット本体１１に、側面に４個のジェッ
ト推進用ノズル１２を斜めに取り付ける。また、ロボッ
ト本体１１には、エアモータ１３、スラスタ１４、スラ
スタモータ１５、姿勢角センサ１６、深度センサ１７、
洗浄装置部１８及びスキッド１９を設ける。そして、支
援母船上の水圧ポンプ２５から高圧水を水圧ホース２２
を介して洗浄装置部１８及びエアモータ１３に供給し、
このエアモータ１３よりジェット推進用ノズル１２を介
して外部へ噴出させる。制御装置２６は、姿勢角センサ
１６及び深度センサ１７からの検出信号に基づいてスラ
スタモータ１５を駆動して姿勢制御を行なうと共に、電
磁弁３０及びエアモータ１３を介してジェット推進用ノ
ズル１２をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジェット水をノズ
ルから噴出する推進器を備えた水中ロボットに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば海底、海中等の探査、ある
いは海中で作業を行なうための水中ロボットが考えられ
ている。このように水中を移動するタイプの移動体（Ｒ
ＯＶ：Remotely Operated Vehicle ）（水中ロボット）
においては、図１５に示すようにロボット本体１の周囲
に設けた複数個のスラスタ（推進器）２により推進／制
御を行なっている。上記スラスタ２としては、従来、電
動モータ軸に取り付けたスクリューにより推力を得るも
のが使用されている。そして、上記水中ロボットには、
例えば海上の支援母船より電源ケーブル３を介して制御
指令、電源等が与えられ、複数個のスラスタ２により、
前後進／上下降／左右の運動が制御される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のようにスク
リューの回転により推力を得るスラスタ２を用いた場
合、次のような問題がある。（１）海中（又は水中）には藻類をはじめ多くの浮遊物
が漂っており、これらの浮遊物がスクリューに巻き込ま
れると、スクリューが回転しなくなり、制御不能とな
る。最悪の場合、水中ロボット自体の回収が不能になる
ことがある。

【０００４】（２）スクリューを駆動するための電動モ
ータが必要となり、モータ搭載のためのスペースが必要
になり、水中ロボットが大型化するという問題がある。
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、
浮遊物が多い環境においても、浮遊物がスクリューに絡
んで機能不良になることもなく、かつ、小型軽量化を図
り得ると共に、移動制御を確実に行ない得る水中ロボッ
トを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る水中ロボッ
トは、外部から供給される高圧水により、複数のノズル
からジェット水を噴き出すジェット推進器を備えたこと
を特徴とする。また、本発明は、水中ロボット本体と、
この水中ロボット本体に取り付けられ、外部から供給さ
れる高圧水により、複数のノズルからジェット水を噴き
出すジェット推進器と、上記水中ロボット本体の位置、
姿勢を検出するセンサと、このセンサの検出信号に基づ
いて上記ジェット推進器を制御する制御装置とを具備し
たことを特徴とする。

【０００６】上記のように水中ロボットの移動制御力と
して、ジェット推進力を利用し、その推進力となるジェ
ットエネルギーを水中ロボットより離れた外部より供給
することにより、ゴミ等の多い環境においていも、ゴミ
がスクリューにからんで機能不良になることもなく、し
かも、水中ロボットの小型・軽量化が可能となる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。（第１実施形態）この第１実施形態は、漁網清掃用の水
中ロボットに実施した場合の例を示したもので、図１は
水中ロボットの全体構成図、図２は機能系統図である。

【０００８】図１において、１０は水中ロボットで、ロ
ボット本体１１に対して、ジェット推進用ノズル１２、
ノズル開閉制御用のエアモータ１３、スラスタ１４、こ
のスラスタ１４を駆動するスラスタモータ１５、ロボッ
ト本体１１の姿勢角を検出する姿勢角センサ１６、ロボ
ット本体１１の深度を検出する深度センサ１７、洗浄装
置部１８及びスキッド１９が設けられる。このスキッド
１９は、洗浄対象である漁網２０に当接して平面的に保
持し、該漁網２０の洗浄を効果的に行なわせるものであ
る。また、センサとしては、上記姿勢角センサ１６、深
度センサ１７の他に例えば方位センサ、位置センサ、圧
力センサ等を必要に応じて設けてもよい。

【０００９】上記ジェット推進用ノズル１２は、水中ロ
ボット１０を推進させるためのもので、例えばロボット
本体１１の側面に２個づつ（合計４個）斜めに取り付け
られる。また、スラスタ１４は、ロボット本体１１の姿
勢を制御するためのもので、ロボット本体１１の背面に
複数例えば２個設けられる。

【００１０】上記水中ロボット１０は、海上の支援母船
上に設けられる外部装置２１に対し、例えば数１０ｍ
（メートル）の長さを持つ水圧ホース２２、水中ケーブ
ル２３、エアホース２４を介して接続される。

【００１１】上記外部装置２１は、例えば水圧ポンプ２
５、制御装置２６、インバータ２７、制御装置２６、エ
アコンプレッサ２９、エアモータ制御用電磁弁３０によ
り構成される。

【００１２】そして、図１及び図２に示すように上記水
圧ポンプ２５からの高圧水が水圧ホース２２を介して洗
浄装置部１８及びエアモータ１３に供給され、このエア
モータ１３よりジェット推進用ノズル１２を介して外部
へ噴出される。また、電源部３１から出力される電力が
インバータ２７を介して制御装置２６に供給される。ま
た、この制御装置２６には、姿勢角センサ１６及び深度
センサ１７により検出された信号が水中ケーブル２３を
介して入力される。上記制御装置２６は、姿勢角センサ
１６及び深度センサ１７からの検出信号に基づいて駆動
信号を水中ケーブル２３を介してスラスタモータ１５に
供給する。また、制御装置２６は、エアモータ制御用電
磁弁３０に動作指令を出力する。

【００１３】上記エアモータ制御用電磁弁３０は、制御
装置２６からの指令に従ってエアコンプレッサ２９から
のエアをエアモータ１３に送出し、このエアモータ１３
の動作を制御する。図３（ａ），（ｂ）は、上記エアモ
ータ制御用電磁弁３０及びアモータ１３の動作説明図で
ある。エアモータ制御用電磁弁３０は、制御装置２６か
らの指令によって入口と出口との接続関係が図３
（ａ），（ｂ）に示すように切り換えられ、それに伴っ
てエアモータ１３に供給されるエアの方向が変化する。
図３（ａ）では、電磁弁３０からエアモータ１３の図示
左方の入口にエアが供給され、エアモータ１３の作動板
１３ａが右方に移動し、水圧ポンプ２５からの高圧水が
ジェット推進用ノズル１２を介して噴出される。また、
図３（ｂ）では、電磁弁３０からエアモータ１３の図示
右方の入口にエアが供給され、エアモータ１３の作動板
１３ａが左方に移動して入口と出口との間が遮断され
る。上記のようにしてエアモータ１３の出入口が開閉さ
れ、ジェット推進用ノズル１２によるジェット噴射が制
御される。

【００１４】また、上記水圧ポンプ２５から水圧ホース
２２を介して送出される高圧水は、洗浄装置部１８へも
送られ、漁網２０の洗浄にも使用される。次に上記実施
形態の全体の機能について説明する。

【００１５】水中ロボット１０は、ジェット推進用ノズ
ル１２を利用して水中を移動し、また、スラスタ１４に
より姿勢を制御して清掃対象である漁網２０上に位置さ
せる。この場合、漁網２０のたわみによる影響を避ける
ため、制御装置２６が姿勢角センサ１６の検出データに
基づいてインバータ２７を制御することによりスラスタ
モータ１５の回転数を制御し、その結果としてスラスト
力を変え、ロボット本体１１の姿勢角を維持した状態で
スキッド１９の面にて漁網２０に取り付く。

【００１６】水中ロボット１０が対象面を移動する場合
は、ロボット本体１１の側面に取り付けた４個のジェッ
ト推進用ノズル１２を使用する。図４は、上記ジェット
推進用ノズル１２による推進動作を説明するための図
で、（ａ）は静止座標系とロボット座標系を示す図、
（ｂ）はオイラー角を示す図、（ｃ）はロボット本体１
１の上面図、（ｄ）はロボット本体１１の側面図であ
る。図中、Ｘ軸は左右方向、Ｙ軸は前後方向、Ｚ軸は上
下方向である。なお、ロボット本体１１には、側面の
（ア），（イ），（ウ），（エ）の位置の４箇所にジェ
ット力Ｔf1〜Ｔf4を有するジェット推進用ノズル１２ａ
〜１２ｄが斜めに設けられているものとする。

【００１７】図４に示すように、ロボット本体１１を上
面から見て図示左側に進めるときは、右側のジェット推
進用ノズル１２ａ，１２ｂを噴射する。逆に右側に進む
ときは、左側のジェット推進用ノズル１２ｃ，１２ｄを
噴射する。同様に下へ潜る場合は、上側のジェット推進
用ノズル１２ａ，１２ｄを噴射し、上昇する場合は、下
側のジェット推進用ノズル１２ｂ，１２ｃを噴射する。
また、例えば姿勢を制御するために回転が必要な場合、
時計回りに回転させるにはジェット推進用ノズル１２
ｂ，１２ｄを噴射させ、反時計回りに回転させるにはジ
ェット推進用ノズル１２ａ，１２ｃを噴射させる。

【００１８】これらの制御は、ロボット本体１１に取り
付けられた姿勢角センサ１６及び深度センサ１７の検出
信号を船上にある制御装置２６で感知し、決められた移
動経路に沿って水中ロボット１０が移動するように、各
ジェット推進用ノズル１２を作動させることにより行な
う。

【００１９】上記ジェット推進用ノズル１２による噴射
は、船上にある水圧ポンプ２５により海水を汲み上げ、
加圧した海水、即ち高圧水を水圧ホース２２を介してジ
ェット推進用ノズル１２に送り込むことにより実現す
る。

【００２０】また、上記水圧ポンプ２５から水圧ホース
２２を介して送られた高圧水は、洗浄装置部１８にも送
られ、漁網２０の洗浄に使用される。上記のようにジェ
ット推進用ノズル１２によりロボット本体１１を移動さ
せながら、高圧水を洗浄装置部１８に送って漁網２０を
洗浄する。

【００２１】これらの制御ブロック図は、図５ないし図
６に示す構成となっている。制御系は、図６に示すＸ−
Ｚ平面上での移動制御（ヨー／航路／深度制御系）、及
び図７に示すＹ−Ｚ平面での姿勢角制御（ピッチ系）よ
りなっている。ただし、ロール系は無誘導とする。図５
（ａ）はＸ−Ｚ平面における座標系、図５（ｂ）はＹ−
Ｚ平面における座標系を示したものである。

【００２２】上記移動制御系は、ジェット推進用ノズル
１２のＯＮ／ＯＦＦ制御にて実施する。また、ピッチ制
御系は、２個のスラスタ１４により連続制御される。こ
のスラスタ１４による制御力を必要推力より若干大きな
力とすることにより、上記したようにロール制御系を無
誘導としている。

【００２３】上記図６に示す移動制御（ヨー／航路／深
度制御系）においては、移動制御パターン４１に基づい
て出力される姿勢角ψc 、航路Ｘc 、深度Ｚc と、機体
運動による実際の姿勢角ψ、航路Ｘ、深度Ｚとの偏差を
求め、その偏差信号を補償器４２ａ〜４２ｃにより補償
した後、必要ジェット力４３を求める。この必要ジェッ
ト力４３については詳細を図８に示す。なお、この場
合、ジェットノズルの応答遅れは無しとしている。

【００２４】上記必要ジェット力４３を求めた後、各ジ
ェット推進用ノズル１２に対するジェット制御（ＯＮ／
ＯＦＦ制御）４４を行なう。このジェット制御４４は、
詳細を図９に示す姿勢制御、移動制御、潜航制御を行な
う。

【００２５】そして、上記ジェット制御（ＯＮ／ＯＦＦ
制御）４４によって各ジェット推進用ノズル１２による
高圧水の噴射がＯＮ／ＯＦＦ制御されて、ロボット本体
１１の運動、つまり、機体運動４５となる。この機体運
動４５に伴うロボット本体１１の姿勢角ψ、航路Ｘ、深
度Ｚがフィードバックされ、上記したように移動制御パ
ターン４１に基づく姿勢角ψc 、航路Ｘc 、深度Ｚc と
の偏差が求められ、この偏差に応じて上記した制御動作
が繰り返し実行される。

【００２６】また、図７に示すＹ−Ｚ平面での姿勢角制
御（ピッチ系）では、予め設定された姿勢角ピッチθc
と機体運動に伴う実際の姿勢角ピッチθとの偏差を求
め、その偏差信号を補償器５１により補償した後、必要
スラスト力制御５２を行なう。すなわち、図１０に詳細
を示すように２台のスラスタ１４に対する必要スラスト
力Ｔs1，Ｔs2を求める。次いで、この必要スラスト力Ｔ
s1，Ｔs2から必要回転数制御５３を行なう。この必要回
転数制御５３では、必要スラスト力Ｔs1，Ｔs2から必要
回転数ｎf1，ｎf2を求めるが、必要回転数ｎf1，ｎf2
は、必要推力より若干大きい力とし、ピッチ系を強制的
に漁網２０に押し付けることにより、ロールが発生しな
いようにする。これにより、ロール系は無誘導となる。

【００２７】上記必要回転数ｎf1，ｎf2によって２台の
スラスタ１４を回転駆動する。このスラスタ１４の駆動
が機体運動４５となり、その運動に伴うロボット本体１
１の姿勢角ピッチθがフィードバックされて、上記した
制御動作が繰り返し実行される。

【００２８】次に図１１に示すシミュレーション経路を
上記の制御系にてシミュレーションした結果を図１２に
示す。上記図１１のシミュレーション経路においては、
（ａ）はＸ座標（距離）、Ｚ座標（深度）上に設定した
進行ルートを示し、（ｂ）は目標座標、即ち、経過時間
（秒）と目標座標（Ｘ座標，Ｙ座標）の関係を示してい
る。上記進行ルートの設定は、図１１（ａ）に○印で示
す各途中目標間の移動時間を何れも５０秒としたもの
で、各目標位置の詳細を同図（ｂ）に示した。

【００２９】図１２は、上記設定した進行ルートを上記
制御系にてシミュレーションした結果を示したもので、
この結果からも明らかなように、ほぼ意図した経路上を
移動させることが可能である。なお、上記実施形態で示
したジェット推進用ノズル１２のＯＮ／ＯＦＦ制御によ
り位置制御した場合の停留範囲は、図１３に示す通りと
なり、最適ノズル係数を選択すると、約０．２ｍの範囲
に制御可能となる。なお、本制御は実機においても確認
済である。上記図１３において、（ａ）はＸ座標、Ｙ座
標におけるロボット本体１１の停留範囲の軌跡を示して
いる。また、同図（ｂ），（ｃ）はノズル制御係数と停
留範囲の面積（ｘ・ｙ）との関係を示すもので、この図
からノズルの最適制御係数を決定することができる。

【００３０】ノズルの制御係数を決定する場合、図１３
（ａ）の座標上において、ロボット本体１１を座標（１
０，１０）の位置から座標（５，５）の位置へ移動さ
せ、その位置を保持するような制御を行なう。制御状態
が悪ければ、座標（５，５）から大きく外れ、停留軌跡
のｘ，ｙの幅は大きくなる。従って、ｘ・ｙで表される
面積が小さいほど誤差は小さくなり、制御状態は良いと
いえる。ノズル制御係数Ｃt （角度θ）、Ｃz （Ｚ
軸）、Ｃx （Ｘ軸）は、シミュレート結果から、Ｃt＝
Ｃz ＝Ｃx のとき最も良い制御ができることが明らかと
なった。そこで、それがどのような値のときに最も良い
制御が可能になるのかを得るため、係数を上記図１３
（ｂ）に示すように設定してｘ・ｙの面積を調べた結
果、図１３（ｃ）に示す結果が得られた。この場合のノ
ズル最適制御係数は、停留範囲の面積（ｘ・ｙ）が最も
小さい値（０．１６ｍ² ）となる「７０００」であるの
で、この値をノズル制御係数として設定する。

【００３１】上記第１実施形態で示した漁網清掃ロボッ
トにおいては、ロボット推進用の高圧水を漁網の洗浄に
も使用できるので、特に装備を増やすことなく対応する
ことができる。また、水中ロボットの移動制御力とし
て、ジェット推進力を利用し、そのジェットエネルギー
を水中ロボットから離れた支援母船等から取り込むよう
にしているので、ゴミ等の多い環境においていも、ゴミ
がスクリューにからんで機能不良になることもなく、し
かも、水中ロボットの小型・軽量化を図ることが可能と
なる。

【００３２】なお、上記実施形態では、漁網清掃ロボッ
トに実施した場合について示したが、その他、例えば海
底、海中等の探査、あるいは他の海中作業を行なう水中
ロボットに実施し得るものである。

【００３３】また、上記実施形態では、ロボット本体１
１の背面に設けたスラスタ１４によって姿勢制御を行な
うようにしたが、更に背面ノズルを設けて、スラスタ１
４と背面ノズルの組み合わせによって姿勢制御を行なう
ようにしてもよい。

【００３４】（第２実施形態）図１４は、本発明の第２
実施形態に係る水中ロボットの全体構成を示す外観斜視
図である。この第２実施形態では、前記第１実施形態で
用いている姿勢制御用スラスタの代わりにジェット推進
を使用し、ロボット本体１１の移動制御をすべてジェッ
ト推進により行なうようにしたものである。すなわち、
ロボット本体１１の周囲に複数個、例えば８個のジェッ
ト推進用ノズル１２を設けて、移動制御、姿勢制御（ピ
ッチ／ロール／ヨー）を可能とする。また、この第２実
施形態においても、ロボット本体１１と支援母船との間
に水中ケーブル２３及び水圧ホース２２等が設けられ
る。

【００３５】上記のようにスラスタを使用せず、ロボッ
ト本体１１の移動制御をすべてジェット推進により行な
うことにより、ゴミがスクリューにからんで機能不良に
なる恐れが全く無くなり、ゴミ等の多い環境においてい
も、安定した動作を行なわせることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、水
中ロボットの移動制御力として、ジェット推進力を利用
し、その推進力となるジェットエネルギーを水中ロボッ
トより離れた外部より取り込むようにしているので、ゴ
ミ等の多い環境においていも、ゴミがスクリューにから
んで機能不良になることもなく、しかも、水中ロボット
の小型・軽量化を図ることができる。また、水中ロボッ
トに対して外部よりエネルギーを供給するようにしてい
るので、連続的にジェットエネルギーを供給することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る水中ロボットの全
体構成を示すブロック図。

【図２】同実施形態におけるきり機能系統図。

【図３】同実施形態におけるジェット制御部分の機構を
概略的に示す図。

【図４】同実施形態における座標系を示す図。

【図５】同実施形態における制御動作を説明するための
座標系を示す図。

【図６】同実施形態における移動制御系（ヨー／航路／
深度制御系）のブロック図。

【図７】同実施形態における姿勢角制御系（ピッチ）の
ブロック図。

【図８】図６の制御系における必要ジェット力制御の詳
細を示す図。

【図９】図６の制御系におけるジェット制御（ＯＮ／Ｏ
ＦＦ制御）の詳細を示す図。

【図１０】図７における必要スラスト力制御の詳細を示
す図。

【図１１】同実施形態におけるシミュレーション経路を
示す図。

【図１２】同実施形態におけるシミュレーション結果を
示す図。

【図１３】同実施形態におけるノズル制御係数及び停留
範囲を示す図。

【図１４】本発明の第２実施形態に係る水中ロボットの
全体構成を示す外観斜視図。

【図１５】従来の水中ロボット全体構成を示す外観斜視
図。

【符号の説明】

１０水中ロボット１１ロボット本体１２ジェット推進用ノズル１３エアモータ１４スラスタ１５スラスタモータ１６姿勢角センサ１７深度センサ１８洗浄装置部１９スキッド２０漁網２１外部装置２２水圧ホース２３水中ケーブル２４エアホース２５水圧ポンプ２６制御装置２７インバータ２９エアコンプレッサ３０エアモータ制御用電磁弁３１電源部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部から供給される高圧水により、複数
のノズルからジェット水を噴き出すジェット推進器を備
えた水中ロボット。
【請求項２】水中ロボット本体と、この水中ロボット
本体に取り付けられ、外部から供給される高圧水によ
り、複数のノズルからジェット水を噴き出すジェット推
進器と、上記水中ロボット本体の位置、姿勢を検出する
センサと、このセンサの検出信号に基づいて上記ジェッ
ト推進器を制御する制御装置とを具備したことを特徴と
する水中ロボット。